Samarbete för bättre konstruktion av flytande havsbaserad vindkraft

2022-04-19

Havsbaserad vindkraft är en av världens snabbast växande energimarknader. Nu är den snabbt på väg mot nästa mognadsfas – flytande havsbaserad vindkraft (FOW). Den snabba tillväxten inom FOW-industrin har skapat ett behov av mycket specifika och effektiva metoder för att stödja en ekonomiskt hållbar utformning av flytande underkonstruktioner (flytelement).

2020 beviljade COWIfonden en donation på 3,25 miljoner DKK till ett innovativt forskningsprojekt som syftar till att utveckla en effektivare metodik för konstruktion av flytelement. COWI har samarbetat med Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNU), Danmarks tekniska universitet (DTU) och klassningssällskapet Det Norske Veritas (DNV) för att utveckla en sådan metodik. Projektet kallas EMULF (”efficient numerical methods for ultra large floating wind turbines”) och teamet arbetar målmedvetet med några av de viktigaste utmaningar som konstruktörer av flytelement står inför.

FOW-turbiner har redan visats vara tekniskt genomförbara, och allt fler och allt större fullskaliga projekt utvecklas nu över hela världen. FOW producerar dock ännu inte el till en utjämnad energikostnad som är konkurrenskraftig jämfört med andra typer av vindkraft och förnybar energi. Eftersom turbiner med flytelement till stor del är desamma som turbiner med bottenfasta fundament har flytande turbiner identifierats som de som har den största potentialen för kostnadsminskning.

TILL NYTTA FÖR HELA BRANSCHEN

Forskningen har redan gett goda resultat. Förhoppningen är att EMULF-metodiken ska spridas och användas i stor utsträckning och därmed skapa mervärde inom hela branschen för flytande havsbaserad vindkraft. Ledtiderna för konstruktion av flytelement och förtöjningssystem förväntas minska, vilket kommer att gynna kunderna, samtidigt som projektpartnerna kommer att kunna använda forskningen för att öka sin tekniska kompetens.

Konstruktionen av flytelement är komplex och beräkningskrävande, särskilt nu när branschen går mot utveckling av ultrastora turbiner (15-20 MW). Det kan vara en rejäl utmaning att exakt modellera stabiliteten och de dynamiska reaktionerna hos de flytelement som rymmer dessa enorma konstruktioner med de verktyg som finns i dag.

EN BÄTTRE KONSTRUKTIONSPROCESS

De nuvarande metoder som finns tillgängliga för konstruktörer av flytelement har utvecklats baserat på en global analys som utgår från rigida flytelement. Med dessa metoder är det svårt att analysera stressfälten för interna belastningar, och det är ännu svårare för konstruktörer som arbetar med stora flytelement med flexibla beteenden. EMULF-projektet syftar till att främja en mer effektiv konstruktionsprocess för flytelement där faktorer som flexibilitet och korrekta stressfält beaktas. Detta uppnås genom:

1. att lägga till flexibilitetsfaktorer för flytelement i befintliga globala responsmodeller

2. överföring av den globala responsen till finita elementmodeller (FEM) för att möjliggöra en effektiv spänningsanalys

3. validering mot befintliga experimentella data

För att påskynda FEM-modelleringen av stressrespons utvecklar teamet dessutom en frekvensdomänmetod som kommer att jämföras med tidsdomänsimuleringar.

Syftet med EMULF-projektet är att utveckla en effektiv numerisk metodik som är specifik för flytande vindkraftverk. Effektivare verktyg gör det möjligt att optimera konstruktionen, vilket i sin tur kommer att minska kostnaderna för tillverkning och installation av flytelement. Den metodik som utvecklats av EMULF är avsedd att användas för att simulera kopplingen av aerodynamiska och hydrodynamiska belastningar och reaktioner vid utformning av framtida flexibla flytelement med ultrastora turbiner.

ETT UNIKT SAMARBETE

EMULF-projektet finansieras av COWIfonden och bidrag från partnerna. Erlend Gjelstad Jakobsen, biträdande projektledare vid COWIs avdelning för vindkraft och förnybar energi, leder projektet tillsammans med professor Zhen Gao från NTNU, professor Henrik Bredmose från DTU och Tore Christiansen, projektsamordnare vid DNV:s avdelning för programvaruutveckling. Varje partner bidrar med sin egen expertis till ett slags ”superteam” som medför fördelar för alla parter.

– COWI motiveras av möjligheten att bidra med förbättrad metodik för att hjälpa konstruktörer att möta de tekniska utmaningarna i samband med FOW-konstruktion, särskilt med tanke på de positiva marknadsutsikterna för branschen, säger Erlend Gjelstad Jakobsen. Effektivitetsvinsterna som följer kan förkorta projekttiderna och möjliggöra optimering av konstruktionen, vilket skapar värde för COWIs kunder.

Tore Christiansen:

– DNV:s mål är att behålla sin ledande position som leverantör av avancerade verktyg för integrerad lastanalys av FOW-turbiner. Vi på DNV är särskilt intresserade av att utveckla modelleringsmetoder för stora flytande konstruktioner som tar hänsyn till dynamiskt beteende utan att ge avkall på beräkningseffektiviteten. DNV fokuserar även på att validera analysresultat mot modelltester och på att skapa riktlinjer för miljö- och driftsförhållanden.

DTU har lång erfarenhet av modellering av havsbaserade och flytande turbiner. Professor Henrik Bredmose förklarar:

– Vi ser EMULF som ett relevant projekt för att minska materialkostnaderna och mer exakt förutsäga systemdynamik och stressbelastning för kopplade flytande turbinsystem. DTU bidrar till EMULF med sin befintliga programvara HAWC2, som används för dynamisk modellering av flexibla flytelement. DTU kommer att validera HAWC2-modellen mot data, koder och metoder från de andra partnerna och vidareutveckla en frekvensdomänbaserad teknik för snabba stressprognoser.

NTNU är intresserat av att utveckla numeriska metoder och modeller för att hjälpa forskare och ingenjörer att utföra kopplade dynamiska analyser av flytande turbiner. – Ett särskilt viktigt område för NTNU är modellering av flexibla flytelement med kopplade tidsdomänsimuleringar som omfattar såväl flytelementens rörelser och vibrationer som strukturella stressreaktioner, säger professor Zhen Gao.

Detta unika samarbete mellan fyra parter är värdefullt för varje partner och har lagt en god grund för framtida samarbeten. NTNU och DTU är intresserade av att utveckla metodik som sedan kan implementeras i programvara och riktlinjer från DNV och användas direkt av COWI i flytande vindkraftsprojekt. Partnerna har kommit överens om att publicera EMULF-projektets resultat och lärdomar och att dela med sig av den inhämtade kunskapen genom konferenspresentationer och workshops.